李敏2高频小信号.doc

学学 士士 学学 位位 论论 文文 基于基于 MultisimMultisim 的高频小信号的高频小信号 谐振放大器仿真谐振放大器仿真 姓 名: 李敏 学 号: 20081121003 院 系： 计算机与信息工程学院 年 级: 2008 级 专 业: 通信工程 指导教师: 萍萍 时 间： 2011 年 5 月 1 日 基于基于 MultisimMultisim 的高频小信号谐振放大器仿真的高频小信号谐振放大器仿真 计算机与信息工程学院 08 级通信班 李敏 20081121003 指导教师 萍萍 助教 摘要 高频小信号放大器广泛应用于通信系统和其他电子系统中，在接受设备中，从天线 上感应的信号是非常微弱的，要将传输的信号恢复出来，需要将信号放大，高频小信号放 大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大。本文结合高频谐振电路实例，运 用Multisim软件的仿真得到信号放大波形及其放大倍数，最后运用传统的实验方法再次验 证高频小信号谐振电路的选频和信号放大作用。 关键词 高频小信号；谐振；放大器；Multisim 目目 录录 1.绪论绪论 .1 1.1 引言.1 2.电路的基本原理及电路的设计电路的基本原理及电路的设计 .1 2.1 电路的基本原理.1 2.1.1 实验仪器及技术指标.1 2.1.2 电路的基本原理及参数设置 .2 2.1.3 完整的电路图.4 2.2 电路的仿真结果.5 2.2.1 仿真图.5 3.电路的安装与测试电路的安装与测试 .7 3.1电路的安装与焊接.7 3.2电路测试.7 3.3 误差分析.8 致谢致谢.9 参考文献参考文献.9 1 1.绪论 1.1 引言 高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，从 信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。 高频小信号放大器按负载性质分为：谐振放大器、非谐振放大器。其中高 频小信号调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射 机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。 高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问 题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。本文运用 Multisim仿真结果为依据，以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除 高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放大器与前 后级的阻抗匹配。 2.电路的基本原理及电路的设计 2.1 电路的基本原理 2.1.1 实验仪器及技术指标 表 2-1 实验仪器设备 数量 高频信号发生器 1 台 数字存储示波器 1 台 12V 直流稳压电源 1 台 使用 2N2222A 型号的三极管，因为它的特征频率较高，导通截止特性良好， 2 由于晶体管的 PN 结有一定的电容，在接受高频信号时由于电容的旁路作用而使 信号受到衰减，表现为放大倍数的降低。信号频率越高，放大倍数降低的越厉 害。当放大倍数为 1 时（即没有放大作用了） ，其频率称为晶体管的特征频率。 2N2222A 的特征频率为 300MHZ。 高频小信号放大器的分类：按元器件分，此设计为晶体管放大器，按频带 分，此设计为窄带放大器，按电路形式分，此设计为单级放大器，按负载性质 分，此设计为谐振放大器。高频信号放大器理论比较简单，主要是实际制作比 较困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，用并联LC谐振振荡电路为辅助， 来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择。 表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率，谐振电压放大 系数Avo，本课程设计电路的中心频率为，期望达到的电压增益为MHzf 3 . 11 0 。)55(35倍dBAu 2.1.2 电路的基本原理及参数设置 一电路的基本原理： 高频小信号放大器的功用就是无失真的放大某一频率范围内的信号。按其 频带宽度可以分为窄带和宽带放大器 ，而最常用的是窄带放大器，它是以各种 选频电路作负载，兼具阻抗变换和选频滤波功能。 如图1所示电路为共发射极接法的晶体管小信号调谐回路谐振放大器。它不 仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此，晶体管的集电极负载 为LC并联谐振回路，电容C2与C4串联后和电感L1构成并联谐振回路。 图1 晶体管小信号调谐回路谐振放大器 根据电路基础知识，谐振频率 式中，L为谐振放大器 电路的电感线圈的电感量；为谐振回路的总电容，C2 100pF与C4 100pF串 3 联后得到50pF的电容，电感为4uH，代入公式可得中心频率为f=11.3MHz。当输 入信号的频率在11.3MHz左右时，输出电压幅度最大，可知并联谐振回路具有选 频滤波作用。 输入信号可以是多个高频信号的叠加，本课程设计将输入信号分别设为 1MHz,5MHz和11.3MHz，但输出的信号为11.3MHz的单一频率信号，通过输入信号 和输出信号的比较可知电路可以完成从多信号中选择单一信号的选频功能，电 压增益公式为，输入电 压设为70uV，通过Multisim仿真后，得到输出电压为40mV，代入上式公式，通 过输出电压与输电压之比可得电压增益为55.1倍，所以电路有选频放大功能。 二电路的参数设置： 已知参数要求与晶体管 2N2222A 参数，2N2222A 的特征频率为 300MHZ。 晶体管的静态工作点由电阻R1和R2，R3，R4，以及R6，R7决定，其计算 方法与低频单管放大器相同。 设置静态工作点： 取 =1mA, =1.5V, =7.5V, 则 EQ I EQ V CEQ V E RK I V EQ EQ 5 . 1 , 取标称值 6.6K 2B R K I V I V CQ BQ BQ BQ 6 . 6 66 1B R KR V VV B BQ BQCC 15 2 可用 3k 电阻和 12k 电阻串联。 1B R 计算谐振回路参数： mS mV I g mAE mSeb 77 . 0 26 mS mV I g mAE mSm 38 26 下面计算 4 个 y 参数， 4 mSjmS Cjgr Cjg y ebebbb ebeb ie 5 . 196 . 0 )(1 因为, 所以 ieieie Cjgy ，mSgie96. 0k g r ie ie 1 1 pF mS Cie2 . 2 5 . 1 mSjmSCj Cjgr grCj y cb ebebbb mbbcb oe 5 . 006 . 0 )(1 因为，所以 oeoeoe Cjgy ，mSgoe06. 0pF mS Coe7 5 . 0 mSjmS Cjgr g y ebebbb m fe 1 . 437 )(1 故模 mSmSyfe371 . 437| 22 回路总电容为 pF Lf C 2 . 52 )2( 1 2 0 再计算回路电容 ，取标称值 50pFpFCpCpCC ieoe 3 . 53 2 2 2 1 三个不同频值的输入源由高频信号发生器提供，示波器波形显示端口A，B 分别用于测量输入信号与输出信号的波形及值。 2.1.3 完整的电路图 利用 Multisim 绘制出如图 2 所示的仿真实验电路。 5 Mu 是专业电路设计的电路仿真软件，具备如信号源、基本元器件、模拟数 路图 2 高频小信号谐振放大器完整电路图 2.2 电路的仿真结果 2.2.1 仿真图 Multisim是专业电路设计的电路仿真软件，具备如信号源、基本元器件、 模拟数字集成电路、指示器件、控制部件等各种元器件，故可以用于对模拟电 路、数字电路和混合电路的仿真工作。在Multisim中，虚拟测试仪表和仿真元 件的外 形与实物非常接近，配合强大的仿真分析，从而使结果更加精确、可靠。另外， 其中的虚拟仪器与现实中所使用的仪器一样可以直接通过仪器观察电路的运行 状态，非常直观。 按图 2 设置各元件的参数，打开仿真开关，从示波器上两个通道观察输出 波形以及与输入信号的关系，如图 3 所示。 6 在万用板上制作一个单级小信号调谐放大电路；将上述设计的元器件参数 值按照图 2 所示电路进行安装。将信号发生器的输入频率置于 f=11.3MHZ，1MHz，5MHz。输入电压设为 Vi=70uV。为避免谐振回路失谐引 起的高反向电压损坏晶体管，可先将电源电压+Vcc 降低，在此设置 +Vcc=+6V，回路处于谐振状态后，再将电源电压恢复至+12V。如图 4。 接入信号发生器，观察示波器输入输出波形，调节时间轴的比例，使达到 200ns/Div,同时调节通道 A 和通道 B 的比例值，通道 A 是三个输入信号波形的 叠加，频率分别为 1MHz,5MHz,11.3MHz,输入电压均为 70uV。通道 A 的比例 为 100uV/Div。通道 B 是输出波形图，经过选频与放大后，电压达到 40mV， 将通道 B 的比例调节成 20mV/Div，使波形图显示的更加清晰与直观，为了方 便比较，显示波形的 X 轴位置设为 0，通道 A 的 Y 轴位置设为 1.4，通道 B 的 Y 轴位置 图 3 输入波形图与输出波形图的对比 接入信号发生器，观察示波器输入输出波形，调节时间轴的比例，使比例 达到 200ns/Div,同时调节通道 A 和通道 B 的比例值，通道 A 是三个输入信号波 形的叠加，频率分别为 1MHz,5MHz,11.3MHz,输入电压均为 70uV。通道 A 的 比例为 100uV/Div。通道 B 是输出波形图，经过选频与放大后，电压达到 40mV，将通道 B 的比例调节成 20mV/Div，使波形图显示的更加清晰与直观， 为了方便比较，显示波形的 X 轴位置设为 0，通道 A 的 Y 轴位置设为 1.4，通 道 B 的 Y 轴位置设为-1。利用仪器测得各指标如下： f0=12MHz vo36dB(55 倍) 仿真数据分析：在误差允许范围里，仿真测量所得数据与理论值几乎相等。 7 3.电路的安装与测试 3.1 电路的安装与焊接 在万用板上制作一个单级小信号调谐放大电路；将上述设计的元器件参数 值按照图 2 所示电路进行安装。将信号发生器的输入频率置于 f=11.3MHZ，1MHz，5MHz。输入电压设为 Vi=70uV。为避免谐振回路失谐引 起的高反向电压损坏晶体管，可先将电源电压+Vcc 降低，在此设置 +Vcc=+6V，回路处于谐振状态后，再将电源电压恢复至+12V。如图 4。 图 4 PCB 板硬件图示 3.2 电路测试 理论值： 50pF 的电容，电感为 4uH，代入公式可得中心频 率为 f=11.3MHz 。 8 实验数据：f0=MHz 未出结果 理论值：输入电压设为 70uV，通过 Multisim 仿真后，得到输出电压为 40mV， 代入上式公式，通过 输出电压与输电压之比可得电压增益为 55.1 倍。 实验数据：vodB 未出结果 图 5 连接好的硬件 9 图 6 输入的高频信号源 信号源 1 设置成频率为 11.3MHz，电压为 70uV 的高频信号，信号源 2 设置 成频率为 5MHz，电压为 70uV 的高频信号。 图 7 出现的波形与理论不相符 正确的结果应该是如仿真图所示波形，实际操作出现的波形与预计的不符， 经过二次焊接仍然没有出现正确波形，针对设计结果进行分析。 3.3 数据分析 在误差允许范围内，中心频率的理论值与实际值一致，在放大器处于谐振 状态下，电压放大倍数 Avo 与理论值有一定的差距，导致误差的原因有如下几 点： （1）实物的实际值与理论值有一定的差距。如电阻和电容的理论值与标称值不 一致，并且电阻电容的标称值也有一定的误差。 （2）由于分布参数的影响，晶体管手册中给出的分布参数一般都是在测试条件 10 一定的情况下测得的。且分布参数还与静态工作电流及电流放大系数有关。放 大器的各项技术指标满足设计要求后的元器件参数值与设计计算值有一定的偏 离。 （3）性能指标参数的测量方法存在一定的误差。如在调谐过程中，我们通过直 接观察波形的输出值的大小来确定电路是否调谐。这样调谐频率的测量值存在 误差的同时，放大倍数的测量值也会产生误差。 （4）实验仪器设备的老化等也会导致电路调试过程中出现一定的误差。 （5）由于工作频率较高，高频小信号放大器容易受到外界各种信号的干扰，特 别是射频干扰。 11 致谢 本次课程设计，能够顺利的完成，多亏萍萍老师和其他同学的指导和帮助。 放大器的设计及制作在实际操作中并没有想的那么容易。从原理图与参数的设 计到面包板的制作。都遇到了很多的困难，特别是在参数设置时，相对低频放 大，高频放大的参数设置要复杂的多，在使用 MULTISIM 进行仿真时，再一次遇 到了许多的问题，通过老师的耐心指导，才顺利完成任务，在此向萍萍老师表 示衷心的感谢。 在老师的严格要求下，这次的实际操作让我学到了很多从书本上学不到却 终身受益的知识，良好的学习习惯，端正的学习态度。这为我以后的学习和工 作打下了良好的基础，更好的去面对社会，适应社会，在此，再次向老师献上 我最真诚的谢意， “老师您辛苦了”！ 参考文献 1谢自美. 电子线路设计实验测试（第三版）. 华中科技大学 2006. 2曹才开，姚屏，曾屹，周细凤. 高频电子线路原理与实践. 中南大学 2010. 3阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨：高等教育出版社，2006. 4 张肃文，陆兆雄. 高频电子线路(第三版). 北京：高等教育出版社，1993. 5谢自美. 电子线路设计实验测试. 武汉：华中科技大学出版社，2000. 6 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2002. 12 附录附录:元件清单元件清单 元件名称 元件大小 元件数量 电阻 3K 三个 电阻 3.3K 两个 电阻 12k 一个 电容 100pF 两个 电容 100nF 一个 电容 510nF 一个 电感 4uH 一个 三级管 2N2222A 一个 13 Based on the Multisim of high frequency small signal resonant amplifier simulation Computer and Information Engineering College 20081121003 LiMin Directed by Ping Ping Lecture Abstract High frequency small signal amplifiers are widely used in communication system and